レーザーセンサーの原理と応用

レーザーセンサーは、レーザー技術を使用して測定するセンサーです。レーザー、レーザー検出器、測定回路で構成されます。レーザーセンサーは新しいタイプの測定器です。その利点は、非接触長距離測定、高速、高精度、広い範囲、強力な耐光性および電気的干渉能力などを実現できることです。
光とレーザー レーザーは、1960 年代に出現した最も重要な科学技術の成果の 1 つです。急速に発展し、国防、生産、医療、非電気計測などのさまざまな分野で広く使用されています。通常の光とは異なり、レーザーはレーザーで発生させる必要があります。レーザーの作動物質の場合、通常の条件下では、ほとんどの原子は安定した低エネルギー レベル E1 にあります。適切な周波数の外部光の作用下で、低エネルギー準位の原子は光子エネルギーを吸収し、励起されて高エネルギー準位 E2 に遷移します。光子エネルギー E=E2-E1=hv、ここで h はプランク定数、v は光子の周波数です。逆に、周波数 v の光の誘導下では、エネルギー レベル E2 の原子はより低いエネルギー レベルに遷移してエネルギーを放出し、光を放出します。これは誘導放射と呼ばれます。レーザーはまず、作動物質の原子を異常に高いエネルギーレベル（つまり、反転分布）にし、誘導放射プロセスを支配的にすることができるため、周波数vの誘導光が強化され、通過することができます。平行ミラー 雪崩型の増幅は、レーザーと呼ばれる強力な誘導放射を生成するために形成されます。

レーザーには 3 つの重要な特性があります。
1. 高い指向性（つまり、高い指向性、光速度の発散角が小さい）、レーザービームの拡大範囲は数キロメートルからわずか数センチメートルです。
2. 単色性が高く、レーザーの周波数幅は通常の光の10分の1以上です。
3. レーザー光の収束を利用することで高輝度、最高温度数百万度を発生させることができます。

レーザーは作用物質に応じて 4 つのタイプに分類できます。
1. 固体レーザー: 作動物質は固体です。一般的に使用されるのは、ルビー レーザー、ネオジムをドープしたイットリウム アルミニウム ガーネット レーザー (つまり、YAG レーザー)、およびネオジム ガラス レーザーです。構造はほぼ同じで、小型、堅牢、高出力が特徴です。ネオジムガラスレーザーは現在、パルス出力が最も高く、数十メガワットに達するデバイスです。
2. ガスレーザー: 作動物質はガスです。現在では、気体原子、イオン、金属蒸気、気体分子などさまざまなレーザーが存在します。一般的に使われているのは、炭酸ガスレーザー、ヘリウムネオンレーザー、一酸化炭素レーザーで、通常の放電管と同様の形状をしており、出力が安定し、単色性が良く、寿命が長いという特徴がありますが、出力が低く変換効率も低いという特徴があります。
3.液体レーザー：キレートレーザー、無機液体レーザー、有機色素レーザーに分けられますが、その中で最も重要なのは有機色素レーザーで、最大の特徴は波長が連続的に調整できることです。
4. 半導体レーザー: 比較的新しいレーザーであり、より成熟したものは GaAs レーザーです。高効率、小型軽量、シンプルな構造が特徴で、航空機、軍艦、戦車、歩兵などへの搭載に適しています。距離計や照準器などに加工可能。ただし、出力が小さく、指向性が悪く、周囲温度の影響を大きく受けます。

レーザーセンサーの用途
レーザーの高指向性、高単色性、高輝度の特性を利用し、非接触で長距離測定を実現します。レーザー センサーは、長さ、距離、振動、速度、方向などの物理量の測定や、探傷や大気汚染物質の監視によく使用されます。
レーザー長さ測定:
精密機械製造業や光学加工業において、精密な長さ測定はキーテクノロジーの一つです。現代の長さ測定は主に光波の干渉現象を利用して行われており、その精度は主に光の単色性に依存します。レーザーは、過去最高の単色光源（クリプトン86ランプ）よりも10万倍純粋な、最も理想的な光源です。そのため、レーザー測長範囲が広く、精度が高いです。光学原理によれば、単色光の測定可能な最大長 L、波長 λ、スペクトル線幅 δ の関係は、L=λ/δ となります。クリプトン86ランプで測定できる最大長は38.5cmです。長いオブジェクトの場合は、セクションに分けて測定する必要があるため、精度が低下します。ヘリウムネオンガスレーザーを使用すると、最大数十キロメートルまで測定できます。通常、長さは数メートル以内で測定され、その精度は 0.1 ミクロンに達することがあります。
レーザー測距:
原理は電波レーダーと同じです。レーザーがターゲットに照準を合わせて発射された後、往復時間を測定し、光速を乗じて往復距離を求めます。レーザーには高指向性、高単色性、高出力という利点があるため、これらは長距離の測定、ターゲットの方向の決定、受信システムの信号対雑音比の改善、測定精度の確保にとって非常に重要です。 。ますます注目を集めました。レーザー距離計に基づいて開発されたライダーは、距離を測定するだけでなく、ターゲットの方位、速度、加速度も測定できます。レーダーの距離は 500 ～ 2000 キロメートルで、誤差はわずか数メートルです。現在、レーザー距離計の光源としては、ルビーレーザー、ネオジムガラスレーザー、炭酸ガスレーザー、ガリウムヒ素レーザーなどがよく使われています。

レーザー振動測定:
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レーザー速度測定:
これは、ドップラー原理に基づいたレーザー速度測定方法でもあります。レーザードップラー流量計（レーザー流量計を参照）の使用が増えており、風洞の気流速度、ロケット燃料の流速、航空機のジェット気流速度、大気の風速と粒子サイズ、化学反応の収束速度などを測定できます。